科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

新加坡國(guó)立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種平臺(tái)，讓實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的肌肉組織無(wú)需外部刺激即可進(jìn)行“自我訓(xùn)練”。研究人員將兩塊肌肉組織機(jī)械耦合，使其不斷相互拉伸，其自然收縮過(guò)程相當(dāng)于全天候鍛煉。他們基于這一方法制造了一款由活體肌肉驅(qū)動(dòng)的游泳機(jī)器人，游動(dòng)速度達(dá)到每分鐘467毫米，創(chuàng)下骨骼肌驅(qū)動(dòng)生物混合機(jī)器人的最快紀(jì)錄。相關(guān)論文日前發(fā)表于《自然·通訊》雜志。

由于肌肉驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器力量有限，相關(guān)機(jī)器人普遍存在運(yùn)動(dòng)速度慢、推進(jìn)力不足、難以執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)等問(wèn)題。

此次研究的關(guān)鍵靈感來(lái)自一種生物學(xué)現(xiàn)象：年輕骨骼肌細(xì)胞在成熟過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生自發(fā)收縮。這種收縮通常從分化第3天開(kāi)始，在第5天達(dá)到最強(qiáng)，隨后逐漸減弱。團(tuán)隊(duì)首次將這一自然過(guò)程轉(zhuǎn)化為肌肉“自我訓(xùn)練”機(jī)制，用于提升肌肉組織的力學(xué)性能。

在此基礎(chǔ)上，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種“對(duì)抗訓(xùn)練”平臺(tái)，將兩塊工程化肌肉組織連接，使其在發(fā)育過(guò)程中不斷相互拉伸和收縮，形成持續(xù)力學(xué)刺激。該過(guò)程無(wú)需外部供能，僅靠肌肉自身特性即可連續(xù)訓(xùn)練。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)這種方式培養(yǎng)的肌肉最大輸出力達(dá)到7.05毫牛，應(yīng)力達(dá)到每平方毫米8.51毫牛，均為該類(lèi)細(xì)胞系在生物混合機(jī)器人研究中的最高水平，比此前同類(lèi)研究結(jié)果高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。同時(shí)，由于采用實(shí)驗(yàn)室常用的商業(yè)肌肉細(xì)胞系，該方法也更具可重復(fù)性并有望降低成本。

基于這一成果，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出仿生游泳機(jī)器人OstraBot。該機(jī)器人借鑒箱鲀主要依靠尾部擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)方式，由一塊經(jīng)過(guò)“自訓(xùn)練”的肌肉驅(qū)動(dòng)兩條柔性尾鰭。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度并施加3赫茲電刺激條件下，其游動(dòng)速度比采用傳統(tǒng)培養(yǎng)肌肉驅(qū)動(dòng)的同類(lèi)機(jī)器人提高3倍以上。